OFDM正交频分复用—现代通信理论课件

1、现代通信理论与技术导论现代通信理论与技术导论姓姓 名：周名：周 微微专专 业：电子与通信工程业：电子与通信工程20132013年年1010月月多载波正交频分复用(OFDM)调制与解调 OFDM基本原理 1OFDM系统传输特性 2OFDM系统实现中的关键问题 3OFDM系统性能 4 OFDM是一种并行通信体制。 它是将高速率的信息数据流经串并变换,分割为若干路低速率并行数据流,然后每路低速率数据流采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号,这种系统也称为多载波传输系统。 多载波传输系统原理图如图6-46所示。 输 出输 入串 /并变 换调制器编 码映 射相加信道相 干解 调译 码判 决并 /

2、串变 换图6-46 多载波传输系统原理图一、一、OFDM基本原理基本原理 OFDM是一种特殊的多载波传送方案,单个用户的信息流被串/并变换为多个低速率码流（100 Hz 50 kHz）,每个码流都用一条载波发送。 OFDM弃用传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式,改用跳频方式选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形,因此我们说,OFDM既可以当作调制技术,也可以当作复用技术。 OFDM增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。 为了提高频谱利用率,OFDM方式中各子载波频谱有1/2重叠,但保持相互正交,在接收端通过相关解调技术分离出各子载波,同时消除码间干扰的影响。一、一、OFDM基本原理

3、基本原理 在传统的并行通信系统中,整个系统频带被划分为N个互不混叠的子信道,每个子信道被一个独立的信源符号调制,即N个子信道被频分复用。 这种做法,虽然可以避免不同信道互相干扰但却以牺牲频带利用率为代价,这在频带资源如此紧张的今天尤其不能忍受。 上个世纪中期,人们又提出了频带混叠的子信道方案,信息速率为a,并且每个信道之间距离也为aHz,这样可以避免使用高速均衡和抗突发噪声差错,同时可以充分利用信道带宽, 节省了50%。 为了减少各个子信道间的干扰,我们希望各个载波间正交。 这种“正交”表示的是载波的频率间精确的数学关系。 一、一、OFDM基本原理基本原理式中, 为第m个子载波的角频率,dm(

4、t)为第m个子载波上的复数信号,它在一个符号期间Ts上为常数,则有dm(t) dm (6-99) 若对信号sOFDM (t)进行采样,采样间隔为T,则有一、一、OFDM基本原理基本原理1( )( )exp0MstdtjtmmOFDMmmmc10()expMOFDMmmmskTdjkTOFDM信号可以用复数形式表示为 假设一个符号周期Ts内含有N个采样值,即TsNT(6-98)(6-100)(6-101) 将上式与离散傅立叶反变换(IDFT)形式相比较,且将dm(t)看作频率采样信号,则sOFDM (kT)为对应的时域信号。 若令 OFDM信号的产生是首先在基带实现,然后通过上变频产生输出信号。

5、 因此,基带处理时可令c0,则式(6-98)可简化为 一、一、OFDM基本原理基本原理10exp)(MmmOFDMkTmjdkTs(6-102)这时，如果选择载波频率间隔f=1/Ts,则OFDM信号不但保持各子载波相互正交,而且可以用离散傅立叶变换(DFT) 来表示。 sTNTf11(6-103)一、一、OFDM基本原理基本原理 为了提高频谱利用率，OFDM方式中各子载波频谱有1/2重叠，但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同时消除码间干扰的影响。 在OFDM系统中引入DFT技术对并行数据进行调制与解调，其子带频谱是sinx/x函数。 OFDM信号是通过基带处理来实现的,不

6、需要振荡器组,从而大大降低了OFDM系统实现的复杂性。(a)(b) 图6-47 OFDM信号频谱结构(a) 单个OFDM子带频谱； (b) OFDM信号频谱 OFDM信号的产生是基于快速离散傅立叶变换实现的，其产生原理如图6-48(a)所示。接收端的原理图如图6-48(b)所示,其处理过程与发送端相反。 一、一、OFDM基本原理基本原理输 出输 入输 出输 入串 /并变 换下变频编 码映 射IFFT并 /串变 换D/A变 换LPF上变频LPFA/D变 换串 /并变 换FFT均衡译 码 判决并 /串变 换(a)(b)图6-48 基于快速离散傅里叶变换的OFDM 由于OFDM采用的基带调制为离散傅

7、立叶反变换,因此可以认为数据的编码映射是在频域进行的,经过IFFT变换为时域信号发送出去。 接收端通过FFT恢复出频域信号。 为了使信号在IFFT、 FFT前后功率保持不变,DFT和IDFT应满足以下关系：一、一、OFDM基本原理基本原理10102exp)(1)(2exp)(1)(NnNnNnkjnXNnxNnkjnxNkX0kN-1 (6-106)0nN-1 (6-107) 尽管还是频分复用,但已与过去的FDMA有了很大的不同： 不再是通过很多带通滤波器来实现,而是直接在基带处理,这也是OFDM有别于其他系统的优点之一。 OFDM的接收机实际上是一组解调器,它将不同载波搬移至零频,然后在一个

8、码元周期内积分,其他载波由于与所积分的信号正交,因此不会对这个积分结果产生影响。 OFDM的高数据速率与子载波的数量有关,增加子载波数目就能提高数据的传送速率。 OFDM每个频带的调制方法可以不同,这增加了系统的灵活性,大多数通信系统都能提供两种以上的业务来支持多个用户,OFDM适用于多用户的高灵活度、 高利用率的通信系统。 二、二、OFDM系统传输特性系统传输特性1.OFDM的主要优点的主要优点 (1) 本身可以有效地对抗ISI，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。 (2) 通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 (3) 基于DFT的OFDM有快速算法。 (4) 信道利用率很

9、高，这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。 当子载波个数很大时，系统的频带利用率趋于Nyquist极限。2.OFDM主要的不足之处主要的不足之处对系统中的非线性问题敏感。(2)对定时和频率偏移敏感。二、二、OFDM系统传输特性系统传输特性3.无线环境的特点无线环境的特点 (1)对信号的衰耗随时间变化；(2)传输的时延随时间变化； (3) 多径传播；(4)衰落。 OFDM的有些优势是其它技术无法比拟的，OFDM由于其并行传输机制、内在的抗干扰ISI的能力和内在的利用多径信道的分集特性的能力，在衰落信道高速数据传输中显示了很强的鲁棒性。尤其在高速无线室内传输中，OFDM技术被广泛采用。通常认为OFDM系统已具备以下特性：(1) 与衰落信道的最大Doppler频移相比，子载波间隔足够大，从而使得ISI很小。(2) 如果能保持系统的正交性，那么在基本的OFDM系统中是不需要做均衡的。三、三、OFDM系统实现中的关键问题系统实现中的关键问题三、三、OFDM系统实现中的关键问题系统实现中的关键问题1.同步算法2.时偏与频偏ML估计器3.信道估计4.信道编码和交织5.改善系统对非线性的敏感性6.均衡 四、四、OFDM系统性能系统性能1.脉冲干扰2.抗多径传播与衰落3.调制方式4.信道分配5.多天线6.频谱利用率121(1)SSSNBN